Zadní náprava osobního automobilu

Tags: Automotive | SolidWorks | zadní náprava

• nést hmotnost vozidla
• zajistit optimální styk kola s vozovkou
• izolovat podvozek od rázů způsobených stykem kola s nerovnostmi vozovky

• závislé zavěšení (tuhá náprava – obvykle rámové podvozky)
• nezávislé zavěšení (obvykle samonosné karosérie)

Závislé zavěšení kol – tuhá náprava

Závislé zavěšení s listovými pružinami

Tento systém byl v počátcích automobilové výroby velmi oblíbený, protože byl jednoduchý a levný. Kvalita jízdy byla však rozhodně diskutabilní. Hnací náprava byla přichycena na listové pružiny a tlumiče byly přichyceny šrouby přímo na nápravě. Konce listových pružin byly připojeny přímo ke karosérii, tak jako druhé konce tlumičů. Jednoduché, nijak zvlášť elegantní, ale levné řešení. Někdy se upouštělo i od tlumičů. Listové pružiny plnily tři hlavní úkoly: vedení nápravy, odpružení nápravy, tlumení mezi karosérií a nápravou (obr. 1). Zavěšení tuhé nápravy pomocí listových pružin patří mezi nejstarší způsoby zavěšení kol. Spolehlivost tohoto řešení ho předurčovalo pro zadní nápravy nákladních automobilů, lehkých nákladních vozidel nebo vozidel kategorie pick-up.

Obr. 1 Tuhá zadní náprava s listovými pružinami [2]

Závislé zavěšení s vinutými pružinami

Toto řešení je modifikací systému popsaného výše, kde listové pružiny byly nahrazeny vlečnými rameny, která zajišťovala vedení nápravy i v příčném směru a tlumení bylo zajištěno vinutými pružinami. Jeden konec vlečného ramene byl připevněn ke karosérii a druhý přímo k nápravě. Pružiny byly samostatně uloženy přímo na nápravě. Takové uspořádání byly kompaktnější, celý systém vyžadoval menší prostor pod karosérií (obr. 2). Zcela jednoduché řešení nepoháněné tzv. vlečené zadní nápravy je na obr. 3.

Obr. 2 Závislé zavěšení s vinutými pružinami a tlumiči [2]

Obr. 3 Tuhá zadní náprava vlečená [2]

Nezávislé zavěšení

Existuje několik druhů nezávislého zavěšení kol. Postupně budou popsána nejpoužívanější řešení.

Kyvadlová (úhlová) náprava

Kyvadlová náprava se používá výhradně jako náprava zadní (obr. 4). Osa kývání ramen je v půdorysu šikmá, proto se někdy používá označení šikmo tažená nebo úhlová náprava. Kolo je uchyceno pomocí rozvidleného ramene, které je ukotveno prostřednictvím pryžových bloků do nápravnice nebo karosérie. Tato konstrukce nápravy se používá jako zadní hnací. Při pružení kyvadlové nápravy vzniká změna odklonu a rozchodu kol. U poháněných náprav proto musí být kvůli změnám rozchodu zajištěno vyrovnávání délky hnací hřídele.

Kliková náprava

Kliková náprava je také známá jako polotuhá náprava s vlečenými rameny. U tohoto typu konstrukce nápravy je každé kolo zavěšené na jednom nebo dvou podélných ramenech. Kliková ramena jsou obvykle spojena U profilem, který působí jako příčný stabilizátor. Kliková náprava má podélná ramena s příčnou osou kývání. Dnes se tento typ nápravy nejčastěji používá pro nepoháněné zadní nápravy. Hlavní výhodou klikové nápravy je její prostorová nenáročnost a konstrukční jednoduchost. Díly nápravy nezužují podlahu zadní části vozu, proto může být podlaha kufru velmi nízko. Takové řešení je vhodné zejména pro automobily typu kombi s velkými pátými dveřmi [14].

Zavěšení kol s použitím vzpěry MacPherson

Tento typ zavěšení kol se používá většinou u přední nápravy, ale setkáme se s ním i u zadních náprav (obr. 6). Na rozdíl od přední nápravy odpadá horní axiální valivé ložisko. Hlavní výhodou zavěšení typu MacPherson je jeho jednoduchost a omezené rozměry. Zavěšení pomocí této vzpěry umožňuje přesnější kontrolu pohybu kol, tlumí klepání a vibrace, což zvyšuje pohodlí jízdy. Pokud kolo narazí na překážku, tlumí náraz a zároveň udrží maximální směrovou stabilitu jak v přímém směru, tak i v zatáčkách.

Obr. 6 Zadní zavěšení MacPherson

Víceprvková náprava

Víceprvková zadní náprava představuje nezávislé zavěšení kol, které je realizováno pomocí více ramen. Díky vzájemné nezávislosti všech ramen zavěšení může být dosaženo optimálního kinematického pohybu kola. Počtem ramen a jejich polohou se dá docílit vysoká přesnost vedení kola.

Jedním z příkladů použití víceprvkové nápravy je zavěšení zadních kol automobilů s pohonem 4 × 4. Na obr. 7 je zadní náprava Škody Octavia 4 × 4. Kola jsou uchycena pomocí dvou vlečných ramen a čtyř příčných ramen. Zavěšení je v příčném směru velmi tuhé, což zlepšuje stabilitu jízdy v zatáčkách, ale poměrně poddajné v podélném směru, což přispívá k vyššímu cestovnímu komfortu. Svislé síly jsou zachyceny pružinou a tlumičem, které mohou být uloženy blízko kola a neomezují velikost zavazadlového prostoru. Víceprvková zadní náprava bývá běžně vybavena torzním stabilizátorem, který omezuje naklánění karosérie v zatáčkách.

Obr. 7 Víceprvková náprava Škoda Octavia 4 × 4 uložená v pomocném rámu [5]

Vlečená zadní náprava s Wattovým přímovodem

Tato inovativní konstrukce zadní nápravy (obr. 8) disponuje všemi přednostmi zadní nápravy s vlečenými rameny a vůči víceprvkové je kompaktnější a jednodušší. Wattův přímovod navíc dodatečně zlepšuje příčnou stabilitu. Torzní příčka zadní nápravy je umístěna mezi podélnými rameny přibližně v polovině vzdálenosti mezi uchycením nápravy a zadními koly. Konstrukce Wattova přímovodu je uchycena na malém příčníku na spodku karosérie hned za osou zadních kol. Skládá se z krátké výkyvné spojovací tyče s kulovými klouby na obou koncích, na níž jsou upevněny příčníky kol. Wattův přímovod není minulostí v konstrukci automobilů. Německý Opel představil v roce 2009 tehdejší generaci Astry s vlečenou zadní nápravou s využitím Wattova přímovodu. Jde v podstatě o jakýsi mezikrok mezi vlečenou nápravou a víceprvkovým zavěšením kol. Ke klasické klikové konstrukci spojené příčkou do tvaru U přidali konstruktéři Wattův přímovod, čímž zvýšili tuhost nápravy v příčném směru. Hlavní výhodou takového řešení je podle konstruktérů skutečnost, že vlečná ramena nemusí přenášet skoro žádné boční síly působící při průjezdu zatáčkou. Při přímé jízdě zaručuje výborný pohyb kol při pérování a v zatáčkách minimalizuje naklánění karosérie podobně jako moderní víceprvková náprava. Vzhledem k její jednoduchosti a relativně levným výrobním nákladům se některé automobilky v segmentu nižší a střední třídy vracejí od komplikované víceprvkové nápravy právě k tomuto řešení.

Obr. 8 Vlečená náprava s Wattovým přímovodem – Opel Astra 2009 [5]

Tvorba virtuálního modelu sestavy víceprvkové zadní nápravy automobilu

Vzorem pro tvorbu modelu nám byla zadní náprava automobilu Kia Sportage (obr. 9). Jednalo se o výukový model v laboratořích Automobilové výroby SjF TU v Košicích. Virtuální model nápravy byl vytvořen v CAD systému SolidWorks.

Obr. 9 Zadní náprava Kia Sportage

Víceprvková náprava je tvořena z těchto částí: základní rám nazývaný most, příčná a podélná ramena, tlumiče, pružiny, těhlice, kola a v tomto případě i diferenciál s homokinetických klouby, protože se jedná o hnací zadní nápravu.

Základní rám

Podstatu víceprvkové nápravy tvoří základní rám (obr. 10). Jde o uzavřený trubkový profil nosných prvků, na který je upevněn diferenciál a příčná ramena. Celý rám je pak upevněn na karosérii. Vytvořen byl modelováním kruhových profilů. Po vytvoření požadovaného tvaru byl funkcí Skořepina vytvořen tenkostěnný prvek. K takto vytvořenému rámu byly funkcí Přidání vysunutím vytvořena uložení příčných ramen a diferenciálu. Přední a zadní část rámu byla pevně spojena, aby byla dodržena jejich vzájemná vzdálenost a pevnost celého rámu. Při modelování rámu bylo nutno použít i mnoho dalších funkcí, pomocných rovin, ploch a podobně. Z výrobního hlediska jde o poměrně složitý díl modelu.

Příčná ramena

Příčnými rameny je těhlice připojena k základnímu rámu. V tomto případě jsou jen dvě příčná ramena, a to přední a zadní. Zadní rameno (obr. 11) je pevné a modelováno bylo jako jeden díl spojením profilů s následným vytvořením tenkostěnného prvku funkcí Skořepina. Vytvořený prvek byl oříznutím upraven na požadovaný tvar. V sestavě bylo rameno doplněno gumovým uložením.

Přední rameno (obr. 12) je tvořeno z více částí. Jednotlivé části byly modelovány jako samostatné díly a v podsestavě smontovány do jednoho celku.

Těhlice

Těhlice (obr. 13) byla vytvořena objemovým modelováním, tažením profilů po křivce s použitím pomocných rovin a množstvím dalších funkcí. Je modelována jako jeden díl, ale v podsestavě je doplněna díly, jako jsou gumové uložení, ložisko a náboj. Takto vytvořená podsestava byla vložena do základní sestavy.

Vzpěry MacPherson

Vzpěry tvoří základ zavěšení kol této nápravy. Součástí tlumičů jsou horní uložení a pružiny. Všechny tyto části byly modelovány samostatně a do jednoho celku byly smontovány v podsestavě. V podstatě se jedná o vzpěru MacPherson (obr. 15).

Upevněním vzpěr k těhlicím jsme se přiblížili k finální sestavě nápravy (obr. 16). Následně se ještě namodelovaly disky kol a pneumatiky (obr. 17).
Součástí nápravy je i brzdový systém tvořený brzdovým třmenem, brzdovými destičkami a brzdovým kotoučem. Všechny tyto díly jsou vloženy do základní velké sestavy (obr. 17).

Posledním krokem bylo vytvoření příčného stabilizátoru nápravy (obr. 18 – příčná červená tyč), přiřazení materiálů a vizualizace celého montážního celku (obr. 18).

Závěr

Proces návrhu a vývoje prototypů automobilových komponentů je časově a finančně velmi náročný. Použití CAD systémů nám umožňuje prostřednictvím virtuální reality vytvořit plnohodnotný virtuální model navrhovaného celku. Takto vytvořený 3D model je možné ve virtuálním prostředí pomocí simulací zatěžovat a analyzovat, čímž můžeme zjistit jeho chování v „reálném prostředí“. 3D model se následně na základě výsledků analýz dále optimalizuje nebo inovuje. Cílem práce bylo namodelovat plnohodnotný virtuální model víceprvkové zadní nápravy. Výsledkem je „zhmotnění“ velkého množství informací do virtuálního 3D modelu, samozřejmě po časově náročné a namáhavé práci.

Článek byl vypracován v rámci řešení grantové úlohy VEGA 1/0085/12 a projektu Centrum výzkumu řízení technických, environmentálních a humánních rizik pro trvalý rozvoj produkce výrobků ve strojírenství –  na základě podpory operačního programu Výzkum a vývoj financovaného z Evropského fondu regionálního rozvoje.

Literatura:

[1] Kohan, V.: Tvorba virtuálneho 3D modelu zavesenia kolies zadnej nápravy, DP, SjF TU v Košiciach, Košice 2010
[2] carbibles.com, [cit.: 7. 11. 2003], dostupné na: <http://www.carbibles.com>
[3] Vlk, F.: Podvozky motorových vozidel, Brno 2003, ISBN 80-239-0026-9.
[4] The site for Saabs, [cit.: 26. 3. 2012], dostupné na: <www.saabcentral.com>
[5] autolexicon.net, [cit.: 27. 3. 2012], dostupné na <www.autolexicon.net>.
[6] Tomáš, M., Ižol, P., Kaščák, Ľ.: Vzdělávání v oblasti CA systémů není jen CAD, IT CAD, roč. 21, 6/2011, Brno, ISSN 1802-0011